JP2004052680A - 排ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃費を大きく悪化させることなく、必要な時に高濃度のNOxをDPFに供給することができ、より効率よくPMを除去してDPFを再生することができる排ガス浄化装置を実現する。
【解決手段】ディーゼルエンジン1の排気管に、酸素過剰雰囲気下におけるNOxの吸着・放出が可能で、低温でNOxを吸着し高温で吸着したNOxを放出する温度感応型NOx吸着体2を設け、その下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ3を配置する。温度感応型NOx吸着体2は、低温時に吸着したNOxを高温時に放出して、パティキュレートフィルタ3に供給するので、NOxによるパティキュレートの酸化が効果的に行われ、雰囲気制御の必要がないので燃費悪化を防止できる。また、ECU6による再生制御と組み合わせることで、安全かつ効率的にパティキュレートフィルタ3の再生を行うことができる。
【選択図】 図1
【解決手段】ディーゼルエンジン1の排気管に、酸素過剰雰囲気下におけるNOxの吸着・放出が可能で、低温でNOxを吸着し高温で吸着したNOxを放出する温度感応型NOx吸着体2を設け、その下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ3を配置する。温度感応型NOx吸着体2は、低温時に吸着したNOxを高温時に放出して、パティキュレートフィルタ3に供給するので、NOxによるパティキュレートの酸化が効果的に行われ、雰囲気制御の必要がないので燃費悪化を防止できる。また、ECU6による再生制御と組み合わせることで、安全かつ効率的にパティキュレートフィルタ3の再生を行うことができる。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出されるパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを備える排ガス浄化装置に関し、詳しくは、排ガスに含まれるNOxを利用してパティキュレートを酸化除去する排ガス浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、地球温暖化の観点から、低CO2 排出量であるディーゼルエンジンが注目されている。一方で、ディーゼルエンジンから排出されるガスのクリーン化要求が高まっており、特に、パティキュレート(粒子状物質,PM)の低減が大きな課題となっている。ディーゼルエンジンのPM対策としては、多孔質セラミック構造体からなるディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)が知られ、DPFにPMを一旦捕集した後、適当な時期にPMを燃焼させて、DPFを再生することが行われている。
【0003】
また、DPFの上流に酸化触媒を設置し、排ガスに含まれるNOxからPMとの反応性の高いNO2 を生成して、DPFに供給するようにした装置が提案されている。この装置では、生成したNO2 によりDPFに捕集されたPMを酸化させるので、比較的低温域においてもPMの酸化除去が可能になる。ただし、排ガスに含まれるNOx量はエンジンの運転状態によって変化するので、常に十分な量のNOxをDPFに供給できるとは限らない。
【0004】
そこで、NOx吸蔵触媒を用いてPMの燃焼を効率よく行うことが検討されている。NOx吸蔵触媒は、リーン雰囲気 (酸素過剰雰囲気)でNOxを吸蔵しリッチ雰囲気(還元雰囲気)で放出する特性を有するもので、通常時は排出されるNOxをNOx吸蔵触媒に吸蔵し、PM燃焼時にNOx吸蔵触媒からNOxを放出させて、高濃度のNOxをDPFに供給することが試みられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ディーゼルエンジンは、通常リーン雰囲気で運転されるため、DPFの再生時にNOxを放出させるには、一時的にリッチ雰囲気を作る必要があり、大きな燃費の悪化をまねく問題があった。また、適正な時期にNOxを放出させてPMと反応させるには、DPFの温度を検出して、DPFが再生可能な温度範囲となった時に雰囲気を切換えるといった制御が必要となる。このため、より簡易に、効率よくPMを燃焼除去できる技術の開発が望まれていた。
【0006】
そこで、本発明は、燃費を大きく悪化させることなく、必要な時に高濃度のNOxをDPFに供給することができ、より効率よくPMを除去してDPFを再生することができる排ガス浄化装置を実現することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1の排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でNOxを吸着し高温で吸着したNOxを放出する特性を有する温度感応型NOx吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるNOxの吸着・放出が可能な温度感応型NOx吸着体を設け、該温度感応型NOx吸着体の下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを配置したことを特徴とする。
【0008】
上記構成によれば、低温時には、ディーゼルエンジンから排出されるNOxを、上記温度感応型NOx吸着体に担持された温度感応型NOx吸着材に吸着し、排ガスが高温になった時に、吸着保持されていたNOxを一気に放出することで、高濃度のNO2 を下流側のパティキュレートフィルタに供給することができる。このNOxの吸着・放出は、酸素過剰雰囲気下で進行するので、雰囲気制御等の必要がなく、PMとNOxの反応が可能となった時に十分なNOxを供給して、燃費を悪化させることなく、効率的にPMを酸化除去することができる。
【0009】
請求項2の装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でNOxを吸着し高温で吸着したNOxを放出する特性を有する温度感応型NOx吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるNOxの吸着・放出が可能な温度感応型NOx吸着体を設け、該温度感応型NOx吸着体の下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを配置するとともに、上記パティキュレートフィルタの表面に酸化触媒成分を担持させる。
【0010】
上記構成によれば、高温時に温度感応型NOx吸着体から放出されるNOxのうちNOが、パティキュレートフィルタの表面で酸化触媒によってNO2 に変換される。これにより、より高濃度のNO2 をパティキュレートフィルタに供給することができ、より効率よくPMを酸化除去することができる。
【0011】
請求項3の装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でNOxを吸着し高温で吸着したNOxを放出する特性を有する温度感応型NOx吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるNOxの吸着・放出が可能な温度感応型NOx吸着体を設け、該温度感応型NOx吸着体の下流に、酸化触媒と、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタとを順に配置している。
【0012】
上記構成のように、酸化触媒をパティキュレートフィルタと別体で設けることもできる。この場合も、酸化触媒を温度感応型NOx吸着体とパティキュレートフィルタの間に設けることで、請求項3と同様の効果が得られる。
【0013】
請求項4の装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを設け、該パティキュレートフィルタの表面に、低温でNOxを吸着し高温で吸着したNOxを放出する特性を有し、酸素過剰雰囲気下におけるNOxの吸着・放出が可能な温度感応型NOx吸着材を担持させる。
【0014】
上記構成のように、温度感応型NOx吸着材をパティキュレートフィルタに直接担持させることもできる。このようにしても、低温時に温度感応型NOx吸着材に吸着したNOxを高温時に放出して、効率よくPMを酸化除去することができ、また、装置をよりコンパクトにすることができる。
【0015】
請求項5のように、上記温度感応型NOx吸着材としては、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素から選ばれる少なくとも1種の金属元素(A種)と、遷移金属元素から選ばれる少なくとも1種の金属元素(B種)との複合酸化物(ABOx)を主成分として含有するものが使用でき、温度に応じてNOxを吸着あるいは放出させることができる。
【0016】
請求項6の装置は、上記パティキュレートフィルタにおける圧力損失からパティキュレートの堆積量を算出するPM堆積量算出手段と、該PM堆積量算出手段で算出されたPM堆積量に基づいて上記パティキュレートフィルタの再生を行う再生実施手段とを備える。
【0017】
上記構成によれば、上記パティキュレートフィルタの自然再生がなされないまま、PM堆積量が増加した場合でも、上記PM堆積量算出手段で算出されたPM堆積量が所定値を越えた時に、上記再生実施手段を作動させることで、確実にパティキュレートフィルタの再生を行うことができる。よって、燃費等への影響を最小限度とし、安全に、効率よくPMを酸化除去することができる。
【0018】
請求項7の装置は、上記パティキュレートフィルタにおける圧力損失からパティキュレートの堆積量を算出するPM堆積量算出手段と、該PM堆積量算出手段で算出されたPM堆積量に基づいて上記パティキュレートフィルタの再生を行う再生実施手段と、運転履歴または排ガス中のNOx濃度と排ガス温度から上記温度感応型NOx吸着材に吸着したNOx量を算出するNOx吸着量算出手段と、上記再生実施手段による上記パティキュレートフィルタの再生に先立って、再生に必要なNOx量と、上記NOx吸着量算出手段により算出されたNOx吸着量との差から、再生に必要なNOx量の不足分を算出するNOx不足量算出手段と、該NOx不足量算出手段により算出されたNOx不足量に相当するNOxを供給するためにNOx補充制御を実施するNOx補充制御手段とを備える。
【0019】
上記構成においても、上記パティキュレートフィルタの自然再生がなされないまま、上記PM堆積量算出手段で算出されたPM堆積量が所定値を越えた時には、上記再生実施手段が作動して、上記パティキュレートフィルタの再生を行う。その際に、上記温度感応型NOx吸着材に吸着したNOx量を算出するとともに、再生に必要なNOx量に対する不足分を算出して、該不足分を上記パティキュレートフィルタに供給する補充制御を行うことにより、十分なNOx量を確保することができ、より効率よくPMを酸化除去することができる。
【0020】
請求項8の装置は、上記ディーゼルエンジンの排気再循環通路に設けたEGR弁でEGR量を調節するEGR量制御手段を備え、上記NOx補充制御手段は、上記EGR量制御手段の上記EGR弁を閉側に制御してEGR量を低減する制御を行う。
【0021】
具体的には、上記EGR量制御手段を設けて、EGR量を低減する制御を行うと、排ガス中のNOx量を増加させ、不足分に相当するNOxを供給することができる。
【0022】
請求項9の装置は、上記ディーゼルエンジンの吸気通路に設けた吸気スロットルで吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段を備え、上記NOx補充制御手段は、上記吸入空気量制御手段の上記吸気スロットルを開側に制御して吸入空気量を増加させる制御を行う。
【0023】
あるいは、上記吸入空気量制御手段を設けて、吸入空気量を増加させる制御を行うこともでき、燃焼温度を高くしてNOxの生成量を増加させ、不足分に相当するNOxを供給することができる。
【0024】
請求項10の装置は、上記ディーゼルエンジンの燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を備え、上記NOx補充制御手段は、上記燃料噴射時期制御手段により燃料噴射時期を進角側にする制御を行う。
【0025】
あるいは、上記燃料噴射時期制御手段を設けて、燃料噴射時期を進角側にする制御を行うこともでき、燃焼温度を高くしてNOxの生成量を増加させ、不足分に相当するNOxを供給することができる。
【0026】
請求項11の装置は、上記ディーゼルエンジンの排気再循環通路に設けたEGR弁でEGR量を調節するEGR量制御手段と、上記ディーゼルエンジンの吸気通路に設けた吸気スロットルで吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段と、上記ディーゼルエンジンの燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を備え、上記NOx補充手段は、上記EGR量制御手段の上記EGR弁を閉側に制御してEGR量を低減する制御、上記吸入空気量制御手段の上記吸気スロットルを開側に制御して吸入空気量を増加させる制御および上記燃料噴射時期制御手段により燃料噴射時期を進角側にする制御のうちの少なくとも2つ以上の制御を実施する。
【0027】
好適には、上記EGR量制御手段、吸入空気量制御手段、燃料噴射時期制御手段を組み合わせることにより、必要なNOx量を確保し、より効率よく上記パティキュレートフィルタの再生を行うことができる。
【0028】
請求項12の装置は、上記パティキュレートフィルタ前後の圧力差または上記パティキュレートフィルタの上流圧力を検出する圧力検出手段と、上記パティキュレートフィルタの温度を検出する温度検出手段と、内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を有しており、上記PM堆積量算出手段は、これら検出手段の検出結果からパティキュレートの堆積量を算出する。
【0029】
具体的には、一般に、ある排気流量に対して、PMの捕集量の増加に伴い上記パティキュレートフィルタで発生する圧力損失が増加する。よって、上記パティキュレートフィルタ前後の圧力差または上記パティキュレートフィルタの上流圧力を検出し、上記パティキュレートフィルタの温度と吸入空気量から算出される排気流量に基づいてPM捕集量を算出することができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明を適用した排ガス浄化装置の全体構成を示す概略図であり、図中、ディーゼルエンジン1に接続された排気通路としての排気管11の途中には、酸素過剰雰囲気下でもNOxの吸着・放出が可能な温度感応型NOx吸着体2が設置されている。温度感応型NOx吸着体2の下流の排気管11内には、排ガス中のパティキュレート(PM)を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)3が設置されている。
【0031】
温度感応型NOx吸着体2は、コーディエライト等の耐熱性セラミックスからなるハニカム構造のセラミック担体に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、温度感応型NOx吸着材を担持してなる。温度感応型NOx吸着材は、低温域 (例えば400℃以下)においてNOxを吸着し、高温域 (例えば400℃以上)となった時に吸着したNOxを放出する特性を有して、下流のDPF3にNOxを供給するもので、Na、K、Rb、Cs、Fr等のアルカリ金属元素およびMg、Ca、Sr、Ba、Ra等のアルカリ土類金属元素から選ばれる少なくとも1種の金属元素(A種)と、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr等の遷移金属から選ばれる少なくとも1種の金属元素(B種)とを含む複合酸化物(ABOx)が好適に使用される。具体的には、A種としてBaを、B種としてCuを用いた複合酸化物等が挙げられ、これら複合酸化物を主成分とするNOx吸着材を用いることで、リッチ・ストイキ・リーン雰囲気のいずれの雰囲気下においてもNOxの吸着・放出が可能となる。
【0032】
DPF3は、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスをハニカム構造に成形し、多孔性の隔壁で区画された多数のセルの入口または出口を互い違いに目封じしたもので構成される。エンジンからの排ガスは、入口側が開口しているセルからDPF3内に入り、各セルを区画する多孔性の隔壁を通過しながら出口側へ流れる間にPMが捕集される。なお、DPF3や温度感応型NOx吸着体2の基材となるセラミックスは、コーディエライトに限らず、アルミナ、スピネル、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、ムライト、シリカ−アルミナ、ゼオライト、ジルコニア、窒化珪素、リン酸ジルコニウム等の他のセラミックスを用いることもできる。
【0033】
本発明では、温度感応型NOx吸着体2をDPF3の上流に配置し、排ガス温度に応じてNOxを吸着・放出させることで、DPF3に捕集されたPMを、NOxを用いて効率よく浄化することができる。すなわち、排ガスが低温 (例えば400℃以下)でPMの酸化反応に適さない時には、エンジン1から排出されるNOxは、温度感応型NOx吸着体2に担持された温度感応型NOx吸着材に吸着される。PMとNO2 の反応が進行する温度以上に排ガスの温度が上昇すると(例えば400℃以上)、温度感応型NOx吸着体2に吸着されていたNOxが放出され、下流側のDPF3に捕集されているPMを酸化除去する。
【0034】
ここで、本発明で使用する温度感応型NOx吸着体2は、NOxの吸着および放出が、雰囲気によらず進行するので、従来のNOx吸蔵触媒を用いたシステムのように、NOxを放出するために一時的にリッチ雰囲気とする制御を行う必要がない。よって、通常時には、排ガスが高温となる運転条件となった時に、DPF3の自然再生がなされるので、燃費を悪化させることなくPMの浄化に十分なNOxを供給して、PMを酸化除去することができる。
【0035】
また、運転状態によっては、DPF3の再生がなされないままPMの堆積量が増加することがある。PMの堆積量が多いと、燃焼時にDPF3が高温となって劣化する等のおそれがあるため、PMの堆積量が所定量を越えた時には、排ガスを昇温させて強制的にPMを燃焼させるようにするとよい。本実施の形態では、捕集されたパティキュレートの量(PM堆積量)を知るために、圧力検出手段である差圧センサ41を設けて、DPF3の上流および下流の排気管11圧力からDPF3前後の圧力差を検出するようになっている。また、DPF3前後の圧力差は、排気流量によっても変化するので、排気流量を算出するために、DPF3と温度感応型NOx吸着体2の間の排気管11にDPF3の温度を検出する温度検出手段として排気温センサ42が、エンジン1の吸気管12には、吸入空気量検出手段としてエアフローメータ51が設けられる。
【0036】
これら各検出装置からの信号はECU6に入力される。ECU6は、DPF3の温度および吸入空気量の測定値から算出される排ガス流量とDPF3の前後差圧を基に、PM堆積量を演算し(PM堆積量算出手段)、算出されたPM堆積量が所定値を越えた時に、高温の排ガスを供給して温度感応型NOx吸着体2およびDPF3を昇温させ、DPF3の再生を行う(再生実施手段)。これにより、温度感応型NOx吸着体2に吸着されているNOxを放出させて、DPF3においてPMと反応させ、捕集能力を回復させることができる。
【0037】
排ガスを高温とする手段として、具体的には、ECU6によりエンジン1の燃焼室に燃料を噴射する際に、ポスト噴射や噴射時期の遅角を行う、あるいは、吸入空気量制御手段となる吸気スロットル5を通常より閉側とする等の制御を行うことにより排ガスを昇温させることができる。例えば、ポスト噴射や遅角を行うと、着火時期の遅れ等により、エネルギーの一部が排気の熱エネルギーになるために、通常噴射の場合よりも排ガスを高温(例えば300℃〜700℃)とすることが可能である。吸気スロットル5を閉側とした場合も、吸気量が減少してエンジン1の燃焼室内に流入するガスの熱容量が減少するために、排ガス温度が上昇する。運転状態に応じて、複数の制御手段を使い分けたり、再生手段として、バーナやヒータといった加熱装置を用いることもできる。
【0038】
このように、本実施の形態によれば、温度感応型NOx吸着体2を用いることにより、リーン雰囲気においてもDPF3の自然再生が可能となり、また、必要に応じて再生制御を併用することで、エンジン1の燃焼制御への影響を最小限とし、燃費の悪化やDPF3の劣化を抑制しつつ、効率よくDPF3を再生させることができる。
【0039】
図2(a)に本発明の第2の実施の形態として示すように、酸化触媒を塗布したDPF3を使用することもできる。酸化触媒としては、通常、Pt、Rh、Pd等の触媒貴金属が用いられる。これにより、放出されるNOx成分のうちNOを反応性の高いNO2 に変換できるので、より効率的にPMを酸化除去することができる。酸化触媒の担持は、DPF3の表面に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、酸化触媒成分を含む溶液に浸漬、焼付けすることにより行われる。その他の基本構成は、上記第1の実施の形態と同様である。
【0040】
図2(b)に本実施の形態の構成における温度感応型NOx吸着体2と酸化触媒の温度特性を示す。温度感応型NOx吸着体2におけるNOxの入りガス濃度と出ガス濃度の関係は、排ガス温度に対して図の上段に示すようになり、排ガスが低温 (例えば400℃以下)である時、エンジン1から排出されるNOxは、温度感応型NOx吸着体2に吸着されるため、入りガス濃度に対して出ガス濃度が低くなっている。排ガスが高温 (例えば400℃以上)になると、吸着されていたNOxが温度感応型NOx吸着体2から放出されるために、NOxの出ガス濃度が急増する。この温度域では、酸化触媒が活性化温度以上となっているのでNO2 生成率が急増し(図の中段)、NO2 とPMの反応率も十分高くなっている(図の下段)。従って、放出されたNOxはDPF3表面の酸化触媒によって速やかにNO2 に変換され、NO2 とPMの反応が進行する。これらの反応も、すべてリーン雰囲気で進行するので、排ガス中のNOxを有効に利用して、PMを酸化除去することができる。
【0041】
図3に本発明の第3の実施の形態として示すように、酸化触媒7をDPF3と別体で設けることもできる。この場合、酸化触媒7は温度感応型NOx吸着体2とDPF3の間に配設され、温度感応型NOx吸着体2から放出されるNOを反応性の高いNO2 に変換してDPF3に供給する。酸化触媒7は、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスからなるハニカム構造のセラミック担体に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、酸化触媒成分を担持してなる。この構成においても、上記第2の実施の形態と同様の作動が得られる。
【0042】
図4に本発明の第4の実施の形態として示すように、温度感応型NOx吸着材を表面に塗布したDPF3を使用することもできる。温度感応型NOx吸着材は、上記第1の実施の形態と同様のものが用いられ、DPF3の表面に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、温度感応型NOx吸着材を含む溶液に浸漬、焼付けすることにより担持させることができる。その他の基本構成および作動は、上記第1の実施の形態と同様である。
【0043】
図5、6に本発明の第5の実施の形態を示す。本実施の形態の触媒構成は、上記第3の実施の形態の構成と同様で(上記図3参照)、排気管11内に、上流側から温度感応型NOx吸着体2、酸化触媒7、DPF3が排気管11が配置してある。本実施の形態において、エンジン1の排気管11は、EGR(排気再循環)通路8によって吸気管12に連結しており、排気の一部がEGR通路8を経て吸気管12に戻されるようになっている。EGR通路8には、EGR弁81が設置されており、吸気に還流される排気の量(EGR量)を調整できるようにしてある(EGR量制御手段)。
【0044】
本実施の形態においても、上記第3の実施の形態と同様、排ガスが高温となった時に、NOxが温度感応型NOx吸着体2から放出され、酸化触媒7でNOがNO2 に返還された後、PMと反応することでDPF3の自然再生がなされる。また、上記第1の実施の形態と同様、ECU6にて、差圧センサ41で検出されるDPF3の前後差圧からNOx吸着量を算出し(PM堆積量算出手段)、算出されたPM堆積量が所定値を越えた時に、高温の排ガスを供給して温度感応型NOx吸着体2およびDPF3を昇温させ、DPF3の再生を行う(再生実施手段)。さらに、本実施の形態では、その際、温度感応型NOx吸着体2に吸着されているNOx量を算出し(NOx吸着量算出手段)、DPF3の再生に必要なNOx量に対する不足分を算出して(NOx不足量算出手段)、このNOx不足量に相当するNOxをエンジン1側から排出するように、ECU6による補充制御を行うものとする(NOx補充制御手段)。
【0045】
温度感応型NOx吸着体2に吸着されているNOx量は、ここでは、排気温センサ42にて検出される排ガス温度と、運転履歴を基にECU6にて算出される。また、PM堆積量から、捕集されたPMとの反応に必要なNOx量を算出し、NOx吸着量との差からNOx不足量を算出することができる。不足分のNOxの補充は、例えば、EGR通路8に設けたEGR弁81を閉側に制御することにより行い、吸気に還流される排気を減少して燃焼温度を高温とし、NOx量を増加することができる。あるいは、ECU6によりエンジン1の燃焼室に燃料を噴射する際に(噴射時期時期制御手段)、噴射時期の進角を行ったり、吸気スロットル5で吸入空気量を調節する際に(吸入空気量制御手段)、吸気スロットル5を通常より開側とする制御を行ってもよく、同様に、NOxの排出量を増加させることができる。
【0046】
この時のECU6の作動の一例を、図6のタイムチャートを参照しながら、図7のフローチャートを用いて説明する。この処理は、ECU6において所定の周期で実行され、まずステップ101で、差圧センサ41、エアフローメータ51および排気温センサ42の出力を読み込み、DPF3前後差圧、吸入空気量およびDPF3温度の検出値を基に、PM堆積量MPMを算出する。次いで、ステップ102で、算出したPM堆積量MPMを予め設定した所定値A1と比較して、DPF3の再生を実施するかどうかを判断する。PM堆積量MPMが所定値A1に満たない場合にはスタートへ戻り、PM堆積量MPMが所定値以上であれば、DPF3の再生が必要と判断してステップ103へ進む。
【0047】
次いで、ステップ103で、温度感応型NOx吸着体2に吸着したNOx吸着量MNOX を算出する。エンジン1から排出されるNOx量は、エンジン回転数等の運転条件に応じて変動し、また、上記図2(b)に示したように排ガス温度によって温度感応型NOx吸着体2への吸着量が変動する。そこで、例えば、エンジン1の運転履歴とNOx排出量の関係を予め知り、図示しない各種センサで検出したエンジン1の運転状態からNOx排出量を算出するとともに、排気温センサ42で検出される排ガス温度から、排出されたNOx量のうち温度感応型NOx吸着体2に吸着されるNOx量を算出する。これを所定の周期で繰り返し行い、加算することでNOx吸着量MNOX を算出することができる。さらに、ステップ104において、再生に必要なNOx量NNOX 、すなわちステップ101で算出したPM堆積量MPMに対して必要となるNOx量を算出し、続くステップ105で、算出したNOx吸着量MNOX と再生に必要なNOx量NNOX を比較して、不足のNOx量LNOX を算出する。
【0048】
そして、ステップ106で、上記した方法で排ガスを昇温し、DPF3の昇温制御を開始する。これに従い、高温の排ガスが排気管11に導入され、図6のように、温度感応型NOx吸着体2、酸化触媒7、DPF3の温度が上昇する。そして、温度感応型NOx吸着体2の出ガス温度が、例えば400℃以上の高温となると、吸着されていたNOxが放出されて、NOx濃度が急上昇し、活性化温度に達した酸化触媒7にてNOがNO2 に変換される。NO2 はDPF3に捕集されたPMと反応し、その反応熱でDPF3温度が上昇する。この時、続くステップ107において、上記ステップ105で算出した不足のNOx量LNOX を供給するNOx補充制御を実施することにより、通常のエンジン出ガスNOx濃度に対して、NOx補充制御時のエンジン出ガスNOx濃度を増加させることができる。このようにして、PM堆積量に見合う十分なNOx量を確保することができる。
【0049】
その後、ステップ108で、再び、差圧センサ41、エアフローメータ51および排気温センサ42の出力を読み込み、PM堆積量MPMを算出する。次いで、ステップ109で、算出したPM堆積量MPMを予め設定した所定値A2(A2<A1)と比較して、DPF3の再生を終了するかどうかを判断する。算出したPM堆積量MPMが所定値A2以下であれば、本処理を終了する。PM堆積量MPMが所定値A2より多い場合には、ステップ103へ戻って、再び温度感応型NOx吸着体2のNOx吸着量を算出する。なお、この場合、上記処理によって、温度感応型NOx吸着体2から放出されたNOx量は、図6に示される温度感応型NOx吸着体2の出ガスNOx濃度の時間変化から算出することができ、この分を減算することで、温度感応型NOx吸着体2のNOx吸着量を算出することができる。ステップ104以降は同様とする。
【0050】
以上のように、本実施の形態によれば、不足分のNOxを供給するNOx補充制御を行うことで、より効率よいDPF3の再生が可能になる。なお、本実施の形態では、吸着したNOx量を運転履歴と排ガス温度からECU6にて算出したが、図8に第6の実施の形態として示すように、温度感応型NOx吸着体2の上流の排気管11に、NOx濃度を検出するためにNOxセンサ43を設け、その検出結果と排ガス温度から、NOx吸着量を算出するようにしてもよい。このように、NOxセンサ43を用いることで、排ガス中のNOx濃度を直接測定することができるので、検出精度が向上する。また、NOx補充制御は、上述したEGR量制御手段、噴射時期時期制御手段、吸入空気量制御手段のいずれかを用いて行ってもよいが、これらのうち2つ以上を組み合わせると不足分のNOx量が多い場合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す排ガス浄化装置の全体概略構成図である。
【図2】本発明の第2の実施の形態を示し、(a)は排ガス浄化装置の全体概略構成図、(b)は排ガス温度と触媒特性の関係を示す図である。
【図3】本発明の第3の実施の形態を示す排ガス浄化装置の要部概略構成図である。
【図4】本発明の第4の実施の形態を示す排ガス浄化装置の要部概略構成図である。
【図5】本発明の第5の実施の形態を示す排ガス浄化装置の全体概略構成図である。
【図6】装置温度とNOx濃度の時間変化を示す図である。
【図7】ECUによるNOx補充制御のフローチャートである。
【図8】本発明の第6の実施の形態を示す排ガス浄化装置の全体概略構成図である。
【符号の説明】
1 エンジン
11 排気管
12 吸気管
2 温度感応型NOx吸着体
3 DPF
41 差圧センサ(圧力検出手段)
42 排気温センサ(温度検出手段)
43 NOxセンサ
5 吸気スロットル(吸入空気量制御手段)
51 エアフローメータ(吸入空気量検出手段)
6 ECU(PM堆積量算出手段、再生実施手段、NOx吸着量算出手段、NOx不足量算出手段、NOx補充制御手段、燃料噴射時期制御手段)
7 酸化触媒
8 EGR通路
81 EGR弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出されるパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを備える排ガス浄化装置に関し、詳しくは、排ガスに含まれるNOxを利用してパティキュレートを酸化除去する排ガス浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、地球温暖化の観点から、低CO2 排出量であるディーゼルエンジンが注目されている。一方で、ディーゼルエンジンから排出されるガスのクリーン化要求が高まっており、特に、パティキュレート(粒子状物質,PM)の低減が大きな課題となっている。ディーゼルエンジンのPM対策としては、多孔質セラミック構造体からなるディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)が知られ、DPFにPMを一旦捕集した後、適当な時期にPMを燃焼させて、DPFを再生することが行われている。
【0003】
また、DPFの上流に酸化触媒を設置し、排ガスに含まれるNOxからPMとの反応性の高いNO2 を生成して、DPFに供給するようにした装置が提案されている。この装置では、生成したNO2 によりDPFに捕集されたPMを酸化させるので、比較的低温域においてもPMの酸化除去が可能になる。ただし、排ガスに含まれるNOx量はエンジンの運転状態によって変化するので、常に十分な量のNOxをDPFに供給できるとは限らない。
【0004】
そこで、NOx吸蔵触媒を用いてPMの燃焼を効率よく行うことが検討されている。NOx吸蔵触媒は、リーン雰囲気 (酸素過剰雰囲気)でNOxを吸蔵しリッチ雰囲気(還元雰囲気)で放出する特性を有するもので、通常時は排出されるNOxをNOx吸蔵触媒に吸蔵し、PM燃焼時にNOx吸蔵触媒からNOxを放出させて、高濃度のNOxをDPFに供給することが試みられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ディーゼルエンジンは、通常リーン雰囲気で運転されるため、DPFの再生時にNOxを放出させるには、一時的にリッチ雰囲気を作る必要があり、大きな燃費の悪化をまねく問題があった。また、適正な時期にNOxを放出させてPMと反応させるには、DPFの温度を検出して、DPFが再生可能な温度範囲となった時に雰囲気を切換えるといった制御が必要となる。このため、より簡易に、効率よくPMを燃焼除去できる技術の開発が望まれていた。
【0006】
そこで、本発明は、燃費を大きく悪化させることなく、必要な時に高濃度のNOxをDPFに供給することができ、より効率よくPMを除去してDPFを再生することができる排ガス浄化装置を実現することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1の排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でNOxを吸着し高温で吸着したNOxを放出する特性を有する温度感応型NOx吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるNOxの吸着・放出が可能な温度感応型NOx吸着体を設け、該温度感応型NOx吸着体の下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを配置したことを特徴とする。
【0008】
上記構成によれば、低温時には、ディーゼルエンジンから排出されるNOxを、上記温度感応型NOx吸着体に担持された温度感応型NOx吸着材に吸着し、排ガスが高温になった時に、吸着保持されていたNOxを一気に放出することで、高濃度のNO2 を下流側のパティキュレートフィルタに供給することができる。このNOxの吸着・放出は、酸素過剰雰囲気下で進行するので、雰囲気制御等の必要がなく、PMとNOxの反応が可能となった時に十分なNOxを供給して、燃費を悪化させることなく、効率的にPMを酸化除去することができる。
【0009】
請求項2の装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でNOxを吸着し高温で吸着したNOxを放出する特性を有する温度感応型NOx吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるNOxの吸着・放出が可能な温度感応型NOx吸着体を設け、該温度感応型NOx吸着体の下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを配置するとともに、上記パティキュレートフィルタの表面に酸化触媒成分を担持させる。
【0010】
上記構成によれば、高温時に温度感応型NOx吸着体から放出されるNOxのうちNOが、パティキュレートフィルタの表面で酸化触媒によってNO2 に変換される。これにより、より高濃度のNO2 をパティキュレートフィルタに供給することができ、より効率よくPMを酸化除去することができる。
【0011】
請求項3の装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でNOxを吸着し高温で吸着したNOxを放出する特性を有する温度感応型NOx吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるNOxの吸着・放出が可能な温度感応型NOx吸着体を設け、該温度感応型NOx吸着体の下流に、酸化触媒と、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタとを順に配置している。
【0012】
上記構成のように、酸化触媒をパティキュレートフィルタと別体で設けることもできる。この場合も、酸化触媒を温度感応型NOx吸着体とパティキュレートフィルタの間に設けることで、請求項3と同様の効果が得られる。
【0013】
請求項4の装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを設け、該パティキュレートフィルタの表面に、低温でNOxを吸着し高温で吸着したNOxを放出する特性を有し、酸素過剰雰囲気下におけるNOxの吸着・放出が可能な温度感応型NOx吸着材を担持させる。
【0014】
上記構成のように、温度感応型NOx吸着材をパティキュレートフィルタに直接担持させることもできる。このようにしても、低温時に温度感応型NOx吸着材に吸着したNOxを高温時に放出して、効率よくPMを酸化除去することができ、また、装置をよりコンパクトにすることができる。
【0015】
請求項5のように、上記温度感応型NOx吸着材としては、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素から選ばれる少なくとも1種の金属元素(A種)と、遷移金属元素から選ばれる少なくとも1種の金属元素(B種)との複合酸化物(ABOx)を主成分として含有するものが使用でき、温度に応じてNOxを吸着あるいは放出させることができる。
【0016】
請求項6の装置は、上記パティキュレートフィルタにおける圧力損失からパティキュレートの堆積量を算出するPM堆積量算出手段と、該PM堆積量算出手段で算出されたPM堆積量に基づいて上記パティキュレートフィルタの再生を行う再生実施手段とを備える。
【0017】
上記構成によれば、上記パティキュレートフィルタの自然再生がなされないまま、PM堆積量が増加した場合でも、上記PM堆積量算出手段で算出されたPM堆積量が所定値を越えた時に、上記再生実施手段を作動させることで、確実にパティキュレートフィルタの再生を行うことができる。よって、燃費等への影響を最小限度とし、安全に、効率よくPMを酸化除去することができる。
【0018】
請求項7の装置は、上記パティキュレートフィルタにおける圧力損失からパティキュレートの堆積量を算出するPM堆積量算出手段と、該PM堆積量算出手段で算出されたPM堆積量に基づいて上記パティキュレートフィルタの再生を行う再生実施手段と、運転履歴または排ガス中のNOx濃度と排ガス温度から上記温度感応型NOx吸着材に吸着したNOx量を算出するNOx吸着量算出手段と、上記再生実施手段による上記パティキュレートフィルタの再生に先立って、再生に必要なNOx量と、上記NOx吸着量算出手段により算出されたNOx吸着量との差から、再生に必要なNOx量の不足分を算出するNOx不足量算出手段と、該NOx不足量算出手段により算出されたNOx不足量に相当するNOxを供給するためにNOx補充制御を実施するNOx補充制御手段とを備える。
【0019】
上記構成においても、上記パティキュレートフィルタの自然再生がなされないまま、上記PM堆積量算出手段で算出されたPM堆積量が所定値を越えた時には、上記再生実施手段が作動して、上記パティキュレートフィルタの再生を行う。その際に、上記温度感応型NOx吸着材に吸着したNOx量を算出するとともに、再生に必要なNOx量に対する不足分を算出して、該不足分を上記パティキュレートフィルタに供給する補充制御を行うことにより、十分なNOx量を確保することができ、より効率よくPMを酸化除去することができる。
【0020】
請求項8の装置は、上記ディーゼルエンジンの排気再循環通路に設けたEGR弁でEGR量を調節するEGR量制御手段を備え、上記NOx補充制御手段は、上記EGR量制御手段の上記EGR弁を閉側に制御してEGR量を低減する制御を行う。
【0021】
具体的には、上記EGR量制御手段を設けて、EGR量を低減する制御を行うと、排ガス中のNOx量を増加させ、不足分に相当するNOxを供給することができる。
【0022】
請求項9の装置は、上記ディーゼルエンジンの吸気通路に設けた吸気スロットルで吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段を備え、上記NOx補充制御手段は、上記吸入空気量制御手段の上記吸気スロットルを開側に制御して吸入空気量を増加させる制御を行う。
【0023】
あるいは、上記吸入空気量制御手段を設けて、吸入空気量を増加させる制御を行うこともでき、燃焼温度を高くしてNOxの生成量を増加させ、不足分に相当するNOxを供給することができる。
【0024】
請求項10の装置は、上記ディーゼルエンジンの燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を備え、上記NOx補充制御手段は、上記燃料噴射時期制御手段により燃料噴射時期を進角側にする制御を行う。
【0025】
あるいは、上記燃料噴射時期制御手段を設けて、燃料噴射時期を進角側にする制御を行うこともでき、燃焼温度を高くしてNOxの生成量を増加させ、不足分に相当するNOxを供給することができる。
【0026】
請求項11の装置は、上記ディーゼルエンジンの排気再循環通路に設けたEGR弁でEGR量を調節するEGR量制御手段と、上記ディーゼルエンジンの吸気通路に設けた吸気スロットルで吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段と、上記ディーゼルエンジンの燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を備え、上記NOx補充手段は、上記EGR量制御手段の上記EGR弁を閉側に制御してEGR量を低減する制御、上記吸入空気量制御手段の上記吸気スロットルを開側に制御して吸入空気量を増加させる制御および上記燃料噴射時期制御手段により燃料噴射時期を進角側にする制御のうちの少なくとも2つ以上の制御を実施する。
【0027】
好適には、上記EGR量制御手段、吸入空気量制御手段、燃料噴射時期制御手段を組み合わせることにより、必要なNOx量を確保し、より効率よく上記パティキュレートフィルタの再生を行うことができる。
【0028】
請求項12の装置は、上記パティキュレートフィルタ前後の圧力差または上記パティキュレートフィルタの上流圧力を検出する圧力検出手段と、上記パティキュレートフィルタの温度を検出する温度検出手段と、内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を有しており、上記PM堆積量算出手段は、これら検出手段の検出結果からパティキュレートの堆積量を算出する。
【0029】
具体的には、一般に、ある排気流量に対して、PMの捕集量の増加に伴い上記パティキュレートフィルタで発生する圧力損失が増加する。よって、上記パティキュレートフィルタ前後の圧力差または上記パティキュレートフィルタの上流圧力を検出し、上記パティキュレートフィルタの温度と吸入空気量から算出される排気流量に基づいてPM捕集量を算出することができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明を適用した排ガス浄化装置の全体構成を示す概略図であり、図中、ディーゼルエンジン1に接続された排気通路としての排気管11の途中には、酸素過剰雰囲気下でもNOxの吸着・放出が可能な温度感応型NOx吸着体2が設置されている。温度感応型NOx吸着体2の下流の排気管11内には、排ガス中のパティキュレート(PM)を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)3が設置されている。
【0031】
温度感応型NOx吸着体2は、コーディエライト等の耐熱性セラミックスからなるハニカム構造のセラミック担体に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、温度感応型NOx吸着材を担持してなる。温度感応型NOx吸着材は、低温域 (例えば400℃以下)においてNOxを吸着し、高温域 (例えば400℃以上)となった時に吸着したNOxを放出する特性を有して、下流のDPF3にNOxを供給するもので、Na、K、Rb、Cs、Fr等のアルカリ金属元素およびMg、Ca、Sr、Ba、Ra等のアルカリ土類金属元素から選ばれる少なくとも1種の金属元素(A種)と、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr等の遷移金属から選ばれる少なくとも1種の金属元素(B種)とを含む複合酸化物(ABOx)が好適に使用される。具体的には、A種としてBaを、B種としてCuを用いた複合酸化物等が挙げられ、これら複合酸化物を主成分とするNOx吸着材を用いることで、リッチ・ストイキ・リーン雰囲気のいずれの雰囲気下においてもNOxの吸着・放出が可能となる。
【0032】
DPF3は、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスをハニカム構造に成形し、多孔性の隔壁で区画された多数のセルの入口または出口を互い違いに目封じしたもので構成される。エンジンからの排ガスは、入口側が開口しているセルからDPF3内に入り、各セルを区画する多孔性の隔壁を通過しながら出口側へ流れる間にPMが捕集される。なお、DPF3や温度感応型NOx吸着体2の基材となるセラミックスは、コーディエライトに限らず、アルミナ、スピネル、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、ムライト、シリカ−アルミナ、ゼオライト、ジルコニア、窒化珪素、リン酸ジルコニウム等の他のセラミックスを用いることもできる。
【0033】
本発明では、温度感応型NOx吸着体2をDPF3の上流に配置し、排ガス温度に応じてNOxを吸着・放出させることで、DPF3に捕集されたPMを、NOxを用いて効率よく浄化することができる。すなわち、排ガスが低温 (例えば400℃以下)でPMの酸化反応に適さない時には、エンジン1から排出されるNOxは、温度感応型NOx吸着体2に担持された温度感応型NOx吸着材に吸着される。PMとNO2 の反応が進行する温度以上に排ガスの温度が上昇すると(例えば400℃以上)、温度感応型NOx吸着体2に吸着されていたNOxが放出され、下流側のDPF3に捕集されているPMを酸化除去する。
【0034】
ここで、本発明で使用する温度感応型NOx吸着体2は、NOxの吸着および放出が、雰囲気によらず進行するので、従来のNOx吸蔵触媒を用いたシステムのように、NOxを放出するために一時的にリッチ雰囲気とする制御を行う必要がない。よって、通常時には、排ガスが高温となる運転条件となった時に、DPF3の自然再生がなされるので、燃費を悪化させることなくPMの浄化に十分なNOxを供給して、PMを酸化除去することができる。
【0035】
また、運転状態によっては、DPF3の再生がなされないままPMの堆積量が増加することがある。PMの堆積量が多いと、燃焼時にDPF3が高温となって劣化する等のおそれがあるため、PMの堆積量が所定量を越えた時には、排ガスを昇温させて強制的にPMを燃焼させるようにするとよい。本実施の形態では、捕集されたパティキュレートの量(PM堆積量)を知るために、圧力検出手段である差圧センサ41を設けて、DPF3の上流および下流の排気管11圧力からDPF3前後の圧力差を検出するようになっている。また、DPF3前後の圧力差は、排気流量によっても変化するので、排気流量を算出するために、DPF3と温度感応型NOx吸着体2の間の排気管11にDPF3の温度を検出する温度検出手段として排気温センサ42が、エンジン1の吸気管12には、吸入空気量検出手段としてエアフローメータ51が設けられる。
【0036】
これら各検出装置からの信号はECU6に入力される。ECU6は、DPF3の温度および吸入空気量の測定値から算出される排ガス流量とDPF3の前後差圧を基に、PM堆積量を演算し(PM堆積量算出手段)、算出されたPM堆積量が所定値を越えた時に、高温の排ガスを供給して温度感応型NOx吸着体2およびDPF3を昇温させ、DPF3の再生を行う(再生実施手段)。これにより、温度感応型NOx吸着体2に吸着されているNOxを放出させて、DPF3においてPMと反応させ、捕集能力を回復させることができる。
【0037】
排ガスを高温とする手段として、具体的には、ECU6によりエンジン1の燃焼室に燃料を噴射する際に、ポスト噴射や噴射時期の遅角を行う、あるいは、吸入空気量制御手段となる吸気スロットル5を通常より閉側とする等の制御を行うことにより排ガスを昇温させることができる。例えば、ポスト噴射や遅角を行うと、着火時期の遅れ等により、エネルギーの一部が排気の熱エネルギーになるために、通常噴射の場合よりも排ガスを高温(例えば300℃〜700℃)とすることが可能である。吸気スロットル5を閉側とした場合も、吸気量が減少してエンジン1の燃焼室内に流入するガスの熱容量が減少するために、排ガス温度が上昇する。運転状態に応じて、複数の制御手段を使い分けたり、再生手段として、バーナやヒータといった加熱装置を用いることもできる。
【0038】
このように、本実施の形態によれば、温度感応型NOx吸着体2を用いることにより、リーン雰囲気においてもDPF3の自然再生が可能となり、また、必要に応じて再生制御を併用することで、エンジン1の燃焼制御への影響を最小限とし、燃費の悪化やDPF3の劣化を抑制しつつ、効率よくDPF3を再生させることができる。
【0039】
図2(a)に本発明の第2の実施の形態として示すように、酸化触媒を塗布したDPF3を使用することもできる。酸化触媒としては、通常、Pt、Rh、Pd等の触媒貴金属が用いられる。これにより、放出されるNOx成分のうちNOを反応性の高いNO2 に変換できるので、より効率的にPMを酸化除去することができる。酸化触媒の担持は、DPF3の表面に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、酸化触媒成分を含む溶液に浸漬、焼付けすることにより行われる。その他の基本構成は、上記第1の実施の形態と同様である。
【0040】
図2(b)に本実施の形態の構成における温度感応型NOx吸着体2と酸化触媒の温度特性を示す。温度感応型NOx吸着体2におけるNOxの入りガス濃度と出ガス濃度の関係は、排ガス温度に対して図の上段に示すようになり、排ガスが低温 (例えば400℃以下)である時、エンジン1から排出されるNOxは、温度感応型NOx吸着体2に吸着されるため、入りガス濃度に対して出ガス濃度が低くなっている。排ガスが高温 (例えば400℃以上)になると、吸着されていたNOxが温度感応型NOx吸着体2から放出されるために、NOxの出ガス濃度が急増する。この温度域では、酸化触媒が活性化温度以上となっているのでNO2 生成率が急増し(図の中段)、NO2 とPMの反応率も十分高くなっている(図の下段)。従って、放出されたNOxはDPF3表面の酸化触媒によって速やかにNO2 に変換され、NO2 とPMの反応が進行する。これらの反応も、すべてリーン雰囲気で進行するので、排ガス中のNOxを有効に利用して、PMを酸化除去することができる。
【0041】
図3に本発明の第3の実施の形態として示すように、酸化触媒7をDPF3と別体で設けることもできる。この場合、酸化触媒7は温度感応型NOx吸着体2とDPF3の間に配設され、温度感応型NOx吸着体2から放出されるNOを反応性の高いNO2 に変換してDPF3に供給する。酸化触媒7は、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスからなるハニカム構造のセラミック担体に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、酸化触媒成分を担持してなる。この構成においても、上記第2の実施の形態と同様の作動が得られる。
【0042】
図4に本発明の第4の実施の形態として示すように、温度感応型NOx吸着材を表面に塗布したDPF3を使用することもできる。温度感応型NOx吸着材は、上記第1の実施の形態と同様のものが用いられ、DPF3の表面に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、温度感応型NOx吸着材を含む溶液に浸漬、焼付けすることにより担持させることができる。その他の基本構成および作動は、上記第1の実施の形態と同様である。
【0043】
図5、6に本発明の第5の実施の形態を示す。本実施の形態の触媒構成は、上記第3の実施の形態の構成と同様で(上記図3参照)、排気管11内に、上流側から温度感応型NOx吸着体2、酸化触媒7、DPF3が排気管11が配置してある。本実施の形態において、エンジン1の排気管11は、EGR(排気再循環)通路8によって吸気管12に連結しており、排気の一部がEGR通路8を経て吸気管12に戻されるようになっている。EGR通路8には、EGR弁81が設置されており、吸気に還流される排気の量(EGR量)を調整できるようにしてある(EGR量制御手段)。
【0044】
本実施の形態においても、上記第3の実施の形態と同様、排ガスが高温となった時に、NOxが温度感応型NOx吸着体2から放出され、酸化触媒7でNOがNO2 に返還された後、PMと反応することでDPF3の自然再生がなされる。また、上記第1の実施の形態と同様、ECU6にて、差圧センサ41で検出されるDPF3の前後差圧からNOx吸着量を算出し(PM堆積量算出手段)、算出されたPM堆積量が所定値を越えた時に、高温の排ガスを供給して温度感応型NOx吸着体2およびDPF3を昇温させ、DPF3の再生を行う(再生実施手段)。さらに、本実施の形態では、その際、温度感応型NOx吸着体2に吸着されているNOx量を算出し(NOx吸着量算出手段)、DPF3の再生に必要なNOx量に対する不足分を算出して(NOx不足量算出手段)、このNOx不足量に相当するNOxをエンジン1側から排出するように、ECU6による補充制御を行うものとする(NOx補充制御手段)。
【0045】
温度感応型NOx吸着体2に吸着されているNOx量は、ここでは、排気温センサ42にて検出される排ガス温度と、運転履歴を基にECU6にて算出される。また、PM堆積量から、捕集されたPMとの反応に必要なNOx量を算出し、NOx吸着量との差からNOx不足量を算出することができる。不足分のNOxの補充は、例えば、EGR通路8に設けたEGR弁81を閉側に制御することにより行い、吸気に還流される排気を減少して燃焼温度を高温とし、NOx量を増加することができる。あるいは、ECU6によりエンジン1の燃焼室に燃料を噴射する際に(噴射時期時期制御手段)、噴射時期の進角を行ったり、吸気スロットル5で吸入空気量を調節する際に(吸入空気量制御手段)、吸気スロットル5を通常より開側とする制御を行ってもよく、同様に、NOxの排出量を増加させることができる。
【0046】
この時のECU6の作動の一例を、図6のタイムチャートを参照しながら、図7のフローチャートを用いて説明する。この処理は、ECU6において所定の周期で実行され、まずステップ101で、差圧センサ41、エアフローメータ51および排気温センサ42の出力を読み込み、DPF3前後差圧、吸入空気量およびDPF3温度の検出値を基に、PM堆積量MPMを算出する。次いで、ステップ102で、算出したPM堆積量MPMを予め設定した所定値A1と比較して、DPF3の再生を実施するかどうかを判断する。PM堆積量MPMが所定値A1に満たない場合にはスタートへ戻り、PM堆積量MPMが所定値以上であれば、DPF3の再生が必要と判断してステップ103へ進む。
【0047】
次いで、ステップ103で、温度感応型NOx吸着体2に吸着したNOx吸着量MNOX を算出する。エンジン1から排出されるNOx量は、エンジン回転数等の運転条件に応じて変動し、また、上記図2(b)に示したように排ガス温度によって温度感応型NOx吸着体2への吸着量が変動する。そこで、例えば、エンジン1の運転履歴とNOx排出量の関係を予め知り、図示しない各種センサで検出したエンジン1の運転状態からNOx排出量を算出するとともに、排気温センサ42で検出される排ガス温度から、排出されたNOx量のうち温度感応型NOx吸着体2に吸着されるNOx量を算出する。これを所定の周期で繰り返し行い、加算することでNOx吸着量MNOX を算出することができる。さらに、ステップ104において、再生に必要なNOx量NNOX 、すなわちステップ101で算出したPM堆積量MPMに対して必要となるNOx量を算出し、続くステップ105で、算出したNOx吸着量MNOX と再生に必要なNOx量NNOX を比較して、不足のNOx量LNOX を算出する。
【0048】
そして、ステップ106で、上記した方法で排ガスを昇温し、DPF3の昇温制御を開始する。これに従い、高温の排ガスが排気管11に導入され、図6のように、温度感応型NOx吸着体2、酸化触媒7、DPF3の温度が上昇する。そして、温度感応型NOx吸着体2の出ガス温度が、例えば400℃以上の高温となると、吸着されていたNOxが放出されて、NOx濃度が急上昇し、活性化温度に達した酸化触媒7にてNOがNO2 に変換される。NO2 はDPF3に捕集されたPMと反応し、その反応熱でDPF3温度が上昇する。この時、続くステップ107において、上記ステップ105で算出した不足のNOx量LNOX を供給するNOx補充制御を実施することにより、通常のエンジン出ガスNOx濃度に対して、NOx補充制御時のエンジン出ガスNOx濃度を増加させることができる。このようにして、PM堆積量に見合う十分なNOx量を確保することができる。
【0049】
その後、ステップ108で、再び、差圧センサ41、エアフローメータ51および排気温センサ42の出力を読み込み、PM堆積量MPMを算出する。次いで、ステップ109で、算出したPM堆積量MPMを予め設定した所定値A2(A2<A1)と比較して、DPF3の再生を終了するかどうかを判断する。算出したPM堆積量MPMが所定値A2以下であれば、本処理を終了する。PM堆積量MPMが所定値A2より多い場合には、ステップ103へ戻って、再び温度感応型NOx吸着体2のNOx吸着量を算出する。なお、この場合、上記処理によって、温度感応型NOx吸着体2から放出されたNOx量は、図6に示される温度感応型NOx吸着体2の出ガスNOx濃度の時間変化から算出することができ、この分を減算することで、温度感応型NOx吸着体2のNOx吸着量を算出することができる。ステップ104以降は同様とする。
【0050】
以上のように、本実施の形態によれば、不足分のNOxを供給するNOx補充制御を行うことで、より効率よいDPF3の再生が可能になる。なお、本実施の形態では、吸着したNOx量を運転履歴と排ガス温度からECU6にて算出したが、図8に第6の実施の形態として示すように、温度感応型NOx吸着体2の上流の排気管11に、NOx濃度を検出するためにNOxセンサ43を設け、その検出結果と排ガス温度から、NOx吸着量を算出するようにしてもよい。このように、NOxセンサ43を用いることで、排ガス中のNOx濃度を直接測定することができるので、検出精度が向上する。また、NOx補充制御は、上述したEGR量制御手段、噴射時期時期制御手段、吸入空気量制御手段のいずれかを用いて行ってもよいが、これらのうち2つ以上を組み合わせると不足分のNOx量が多い場合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す排ガス浄化装置の全体概略構成図である。
【図2】本発明の第2の実施の形態を示し、(a)は排ガス浄化装置の全体概略構成図、(b)は排ガス温度と触媒特性の関係を示す図である。
【図3】本発明の第3の実施の形態を示す排ガス浄化装置の要部概略構成図である。
【図4】本発明の第4の実施の形態を示す排ガス浄化装置の要部概略構成図である。
【図5】本発明の第5の実施の形態を示す排ガス浄化装置の全体概略構成図である。
【図6】装置温度とNOx濃度の時間変化を示す図である。
【図7】ECUによるNOx補充制御のフローチャートである。
【図8】本発明の第6の実施の形態を示す排ガス浄化装置の全体概略構成図である。
【符号の説明】
1 エンジン
11 排気管
12 吸気管
2 温度感応型NOx吸着体
3 DPF
41 差圧センサ(圧力検出手段)
42 排気温センサ(温度検出手段)
43 NOxセンサ
5 吸気スロットル(吸入空気量制御手段)
51 エアフローメータ(吸入空気量検出手段)
6 ECU(PM堆積量算出手段、再生実施手段、NOx吸着量算出手段、NOx不足量算出手段、NOx補充制御手段、燃料噴射時期制御手段)
7 酸化触媒
8 EGR通路
81 EGR弁
Claims (12)
- ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でNOxを吸着し高温で吸着したNOxを放出する特性を有する温度感応型NOx吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるNOxの吸着・放出が可能な温度感応型NOx吸着体を設け、該温度感応型NOx吸着体の下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを配置したことを特徴とする排ガス浄化装置。
- ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でNOxを吸着し高温で吸着したNOxを放出する特性を有する温度感応型NOx吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるNOxの吸着・放出が可能な温度感応型NOx吸着体を設け、該温度感応型NOx吸着体の下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを配置するとともに、上記パティキュレートフィルタの表面に酸化触媒成分を担持させたことを特徴とする排ガス浄化装置。
- ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でNOxを吸着し高温で吸着したNOxを放出する特性を有する温度感応型NOx吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるNOxの吸着・放出が可能な温度感応型NOx吸着体を設け、該温度感応型NOx吸着体の下流に、酸化触媒と、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタとを順に配置したことを特徴とする排ガス浄化装置。
- ディーゼルエンジンの排気通路に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを設け、該パティキュレートフィルタの表面に、低温でNOxを吸着し高温で吸着したNOxを放出する特性を有し、酸素過剰雰囲気下におけるNOxの吸着・放出が可能な温度感応型NOx吸着材を担持させたことを特徴とする排ガス浄化装置。
- 上記温度感応型NOx吸着材が、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素から選ばれる少なくとも1種の金属元素(A種)と、遷移金属元素から選ばれる少なくとも1種の金属元素(B種)との複合酸化物(ABOx)を含有する請求項1ないし4のいずれか記載の排ガス浄化装置。
- 上記パティキュレートフィルタにおける圧力損失からパティキュレートの堆積量を算出するPM堆積量算出手段と、該PM堆積量算出手段で算出されたPM堆積量に基づいて上記パティキュレートフィルタの再生を行う再生実施手段とを設けた請求項1ないし5のいずれか記載の排ガス浄化装置。
- 上記パティキュレートフィルタにおける圧力損失からパティキュレートの堆積量を算出するPM堆積量算出手段と、該PM堆積量算出手段で算出されたPM堆積量に基づいて上記パティキュレートフィルタの再生を行う再生実施手段と、運転履歴または排ガス中のNOx濃度と排ガス温度から上記温度感応型NOx吸着材に吸着したNOx量を算出するNOx吸着量算出手段と、上記再生実施手段による上記パティキュレートフィルタの再生に先立って、再生に必要なNOx量と、上記NOx吸着量算出手段により算出されたNOx吸着量との差から、再生に必要なNOx量の不足分を算出するNOx不足量算出手段と、該NOx不足量算出手段により算出されたNOx不足量に相当するNOxを供給するためにNOx補充制御を実施するNOx補充制御手段とを設けた請求項1ないし5のいずれか記載の排ガス浄化装置。
- 上記ディーゼルエンジンの排気再循環通路に設けたEGR弁でEGR量を調節するEGR量制御手段を備え、上記NOx補充制御手段は、上記EGR量制御手段の上記EGR弁を閉側に制御してEGR量を低減する制御を行う請求項7記載の排ガス浄化装置。
- 上記ディーゼルエンジンの吸気通路に設けた吸気スロットルで吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段を備え、上記NOx補充制御手段は、上記吸入空気量制御手段の上記吸気スロットルを開側に制御して吸入空気量を増加させる制御を行う請求項7記載の排ガス浄化装置。
- 上記ディーゼルエンジンの燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を備え、上記NOx補充制御手段は、上記燃料噴射時期制御手段により燃料噴射時期を進角側にする制御を行う請求項7記載の排ガス浄化装置。
- 上記ディーゼルエンジンの排気再循環通路に設けたEGR弁でEGR量を調節するEGR量制御手段と、上記ディーゼルエンジンの吸気通路に設けた吸気スロットルで吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段と、上記ディーゼルエンジンの燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を備え、上記NOx補充手段は、上記EGR量制御手段の上記EGR弁を閉側に制御してEGR量を低減する制御、上記吸入空気量制御手段の上記吸気スロットルを開側に制御して吸入空気量を増加させる制御および上記燃料噴射時期制御手段により燃料噴射時期を進角側にする制御のうちの少なくとも2つ以上の制御を実施する請求項7記載の排ガス浄化装置。
- 上記PM堆積量算出手段が、上記パティキュレートフィルタ前後の圧力差または上記パティキュレートフィルタの上流圧力を検出する圧力検出手段と、上記パティキュレートフィルタの温度を検出する温度検出手段と、内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段の検出結果からパティキュレートの堆積量を算出する請求項6または7記載の排ガス浄化装置。
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